劉宇

(西山煤電(集團)有限公司 屯蘭煤礦， 山西 太原 030200)

0 引言

煤炭是我國重要的能源，我國的經(jīng)濟快速發(fā)展離不開煤炭能源的大量消耗。在煤炭巨大的市場需求環(huán)境下，煤炭的開采、加工產量大幅提升[1]。盡管選煤廠的洗選能力滿足了市場的需求，但與之配套的安保條件未能得到有效提高，其中粉塵污染問題最為嚴重。據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，機尾落料管與機尾處是主要產塵點，其附近的粉塵濃度最高可達到120 mg/m3，遠超我國《中華人民共和國職業(yè)病防治法》中規(guī)定的環(huán)境煤塵濃度最高為6 mg/m3。工人長期在高濃度煤塵環(huán)境中工作極易引發(fā)呼吸性疾病，同時還會降低工作場所的可見度，導致工人出現(xiàn)操作失誤，嚴重威脅工人的人身安全[2]。

目前選煤廠常用的除塵方式分為干式除塵與濕式除塵兩種。濕式除塵相較于干式除塵，其前期投資少、適用性強,且除塵效率高而被廣泛地用于選煤廠的粉塵治理。但目前普通的濕式除塵措施只可對大顆粒的煤塵進行沉降，對于呼吸性粉塵(空氣動力學直徑<7.07 μm)降塵效果不佳，而呼吸性粉塵對人體的危害遠超大顆粒粉塵[3]。根據(jù)空氣動力學原理和云物理學原理，高壓細水霧對呼吸性粉塵的捕捉效率較高。鑒于此，本文了開發(fā)一種高壓細水霧除塵系統(tǒng),以治理選煤廠呼吸性粉塵的污染問題。

1 細水霧除塵在選煤廠的適用性

根據(jù)空氣動力學原理，在含塵風流經(jīng)過液滴附近時，如果液滴的直徑過大，粉塵顆粒會繞過液滴而不被液滴捕捉，而如果液滴與粉塵粒徑相近，粉塵就會與液滴發(fā)生碰撞而被濕潤。在云物理學中，當液滴粒徑為微米時，如果此時存在晶核(粉塵顆粒)，就聚集在一起形成大水珠迅速沉降。基于此原理，研發(fā)新型高壓細水霧除塵系統(tǒng)，本系統(tǒng)對比傳統(tǒng)濕式除塵具有較好的適用性,主要優(yōu)勢為：

1) 系統(tǒng)通過高壓產生的直徑極小的細水霧實現(xiàn)呼吸性粉塵的捕捉沉降，除塵機理簡單環(huán)保。

2) 細水霧的霧化效率更高，霧滴粒徑可達微米級，大小粒徑的粉塵均可被濕潤沉降。

3) 由于采用的噴嘴口徑更小，故系統(tǒng)整體耗水量小，節(jié)約了大量的水資源，綠色環(huán)保。

2 高壓細水噴霧除塵系統(tǒng)設計

高壓細水噴霧除塵系統(tǒng)工程原理如圖1所示。

圖1 微霧除塵系統(tǒng)工程原理

1) 除塵水過濾及軟化系統(tǒng)。為實現(xiàn)噴霧粒徑微米化，采用的噴嘴十分精密。如果除塵水中含有較多雜質就會導致噴嘴阻塞，影響噴霧量。過濾器選用40寸的5芯前置凈水器。為避免長期使用過濾器后部的管路及噴嘴,由于水中含有的鈣鎂離子與鐵質材料發(fā)生電化學反應而銹蝕，故在過濾器的后部安裝一個軟水機,以清除水中的活性金屬離子實現(xiàn)水的軟化。

2) 儲水箱。為避免廠區(qū)停水以及水量充足，并綜合考慮防腐蝕性和經(jīng)濟性，其儲水箱采用不銹鋼材質,規(guī)格為1.5 m×1.5 m×1.5 m。在水箱上預留一個防凍液添加口，可避免氣溫過低時儲水箱內的水出現(xiàn)結冰，導致除塵用水無法流動。

3) 電控箱。主要作用是實現(xiàn)除塵系統(tǒng)與生產裝置的聯(lián)鎖控制，即當生產設備運轉時，高壓細水霧除塵系統(tǒng)立即開始工作，以實現(xiàn)粉塵的及時控制，避免粉塵擴散。電控箱可同時對過濾器、軟水器、儲水箱和自動噴霧系統(tǒng)進行控制,考慮到煤塵的可爆性，須對于電控箱及控制線路進行防爆和防護性能設計，如箱體密封并保護接地接零,同時在防爆箱內設置報警器，當粉塵濃度檢測器檢測到濃度即將到達爆炸極限時，立即發(fā)出警報，并增大噴霧除塵系統(tǒng)的除塵功率。

4) 增壓泵。為保證噴霧的粒徑足夠小，必須提供足夠的噴霧水壓。由于柱栓泵相較于離心泵可以實現(xiàn)更高的增壓，故采用3WZ-180型三缸柱塞泵。該泵的工作原理為：以一個柱塞為例進行介紹，即在一個柱塞泵上存在兩個方向相反的單向閥，當柱塞向一個方向運動時,缸內產生負壓，此時，其中一個單向閥打開,水被吸入，隨后柱塞向相反方向進行運動，水被壓縮后,另一個單向閥被打開，吸入缸內的水被排出。如此往復地運動,便可連續(xù)提供高壓水。該泵的性能參數(shù)見表1。

表1 3WZ-180型三缸柱塞泵的性能參數(shù)

5) 電動機。電動機的功率不但應與增壓泵的功率相匹配，而且要考慮到使用場所中存在具有爆炸性的煤塵，故選用隔爆型電動機。由于選煤廠的生產任務繁重，輸煤與落煤持續(xù)時間長，故又要求電動機具有持續(xù)工作的能力。綜合以上因素,采用進口的SIMOTICS XP 1MB1011-1AB42-2AA5型電動機，該電動機性能參數(shù)為：IEC 籠型轉子，自冷，IP65 熱量級，功率為2.2 kW(50 Hz) 2.55 kW(60 Hz)。

3 高壓細水噴霧除塵系統(tǒng)的關鍵技術參數(shù)設計

水壓、噴嘴孔徑和流量的選擇與設計直接決定高壓細水霧除塵系統(tǒng)的噴霧粒徑與粉塵處理能力，這是高壓細水霧除塵系統(tǒng)的關鍵技術參數(shù),經(jīng)分析研究,采用了油池法測定霧滴參數(shù)來選擇合適的水壓、噴嘴孔徑和流量。

3.1 霧滴參數(shù)檢測方法

油池法測定霧滴參數(shù)的步驟為：

1) 于載玻片上粘上邊長1 cm的方格，隨后在方格的周圍涂上蠟油，以保證紙片不會脫離載玻片。

2) 向方格內滴入100#機油。

3) 將載玻片樹立以來進行微霧流采樣。

4) 待取樣完成后，再向方格上滴一次油。

5) 將載玻片置于顯微鏡下觀察計數(shù)。為了避免霧滴被迅速蒸發(fā)，實驗選擇天氣須注意在濕度較大時進行。

圖2為高壓細水霧除塵系統(tǒng)的噴嘴設點。將噴嘴均勻地安裝在弓形導料槽上,導料槽的截面寬度為1.6 m，高度為1 m，導料槽長為10 m。在測定噴霧效果時，應以噴嘴為球心的半徑為0.5 m的半球形區(qū)域作為霧粒比例測定空間,而對現(xiàn)場噴霧除塵效果測定時，則在導料槽兩端的擋塵簾附近設置粉塵濃度檢測點。

1-機尾罩;2-落料管;3-導料槽;4,5,6-噴嘴。

3.2 降塵水壓的設計

水壓是噴霧大關鍵因素之一，若水壓過低，則噴霧可能因粒徑過大而無法捕捉呼吸性粉塵，甚至出現(xiàn)射流的情況;而若水壓過高，雖然霧滴粒徑達到降塵要求，但對管路的承壓結構要求較高，導致資源的浪費。因此,選擇合適的水壓,既要滿足降塵要求，又不會造成不必要的損失。高壓細水噴霧除塵系統(tǒng)主要由高壓栓泵和組合實現(xiàn),即系統(tǒng)水壓為高壓，其管路系統(tǒng)的所有連接口處必須保證密封良好,同時在噴霧過程中必須做到保證水霧不會噴到電動機上，一旦出現(xiàn)漏電的可能,應及時切斷電源，并擦干積水。

實驗的環(huán)境溫度為20 ℃，空氣濕度為75%。采用的噴嘴口徑為0.2 mm，每個噴頭水流量0.65 L/min。選定0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa、2 MPa、2.5 MPa、3 MPa、3.5 MPa和4 MPa八種水壓進行實驗。小于10 μm的霧滴粒徑與水壓的關系曲線見圖3。

由圖3可知，在水壓≤2 MPa時，水壓對粒徑的影響十分顯著。但當水壓超過2 MPa時，粒徑在10 μm內的霧滴比例無顯著變化。隨著提供的水壓升高，柱塞泵產生的噪聲顯著增大。因此，將塵水壓控制在2 MPa。

圖3 粒徑在10 μm內的霧滴比例與水壓的關系

3.3 噴嘴孔徑口徑的選擇

噴嘴口徑也是影響噴霧效果的關鍵影響因素之一。通常，口徑越小,噴出霧滴粒徑越小，霧化效果越好。但如果霧滴粒徑過于小，其噴霧容易受風流氣流影響，即還未到達塵源處就被風流吹散。因此，噴嘴孔徑口徑必須通過現(xiàn)場實驗,按除塵效果來選擇合適的噴嘴口徑。

實驗的環(huán)境溫度為23 ℃，空氣濕度為70%。采用的噴嘴口徑水壓為2 MPa，每個噴頭水流量為0.65 L/min。選定0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm和0.5 mm 5種口徑進行試驗。小于10 μm的霧滴粒徑與噴嘴口徑的關系曲線如圖4所示。

圖4 粒徑在10 μm內的霧滴比例與噴嘴口徑的關系

由圖4可知，噴嘴口徑越小，產生的霧滴粒徑在10 μm內的比例越大，同時對水壓和流量的要求較高。通過結合不同口徑噴嘴的現(xiàn)場除塵效果，最終決定采用口徑為0.2 mm的噴嘴。

3.4 流量的設計

水流量會直接影響噴霧的處理能力，主要表現(xiàn)在除塵過程中，噴霧量與除塵的持續(xù)時間和除塵強度由直接聯(lián)系。實驗的環(huán)境溫度為23 ℃，空氣濕度為70%。采用的噴嘴口徑水壓為2 MPa，每個噴嘴口徑均為0.2 mm。選定0.2 L/min、0.4 L/min、0.6 L/min、0.8 L/min 、1 L/min和1.5 L/min 6種流量進行實驗。小于10 μm的霧滴粒徑與流量的關系曲線如圖5所示。

由圖5可知，當水流量小于0.6 L/min式，流量對噴霧的霧化效果的顯著，當其超過0.6 L/min后影響明顯減弱。水流量過大一方面要求較高質量的水路系統(tǒng)，另一方面會造成水資源的浪費，導致工作場所積水。因此，將流量控制在0.6 L/min左右最佳。

圖5 粒徑在10 μm內的霧滴比例與流量的關系

4 現(xiàn)場應用情況分析

該選煤廠在機尾落料管與機尾處安裝高壓細水霧除塵系統(tǒng)后，所有噴嘴采用0.2 mm口徑的噴嘴，水壓與流量分別控制在2 MPa和0.6 L/min左右。采用標準《作業(yè)場所空氣中粉塵測定方法》GB 5748—1985中規(guī)定的濾膜法對機尾處的粉塵濃度進行檢測，檢測結果如表2所示。由表2可知，采用高壓細水噴霧除塵系統(tǒng)，將原濕式除塵全塵降塵率85.4%和呼塵降塵率67.2%，分別提高至96%和94.8%，其中呼吸性粉塵降塵率提高了27.6%。

表2 粉塵濃度檢測結果 (mg·m-3)

5 結論

設計了一種由除塵水過濾及軟化系統(tǒng)、儲水箱、電控箱、增壓泵和電動機組成的高壓細水噴霧除塵系統(tǒng)，通過實驗確定,當水壓為2 MPa、噴嘴口徑為0.2 mm、流量為0.6 L/min時,可獲得最佳的除塵效果。根據(jù)工業(yè)應用試驗表明，采用高壓細水噴霧除塵系統(tǒng)后，選煤廠機尾落料管與機尾處的粉塵，尤其是呼吸性粉塵得到了有效的治理，為選煤廠工人的人身安全提供了保障。